可调被动式流量调节器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及可调被动式流量调节器，其可以用在药物输送(液体的或气体的，例如，用于疼痛治疗)的领域中或用于为脑积水病人引流脑脊液(CSF)
【背景技术】
[0002]与主动式药物输注装置相反，被动式药物输注装置不依靠栗输送药物而是依靠增压的药物容器。这些被动式装置的已知问题是只要容器中的压力取决于留在容器中的药物量，则通向输送位置的药物流速可能根据留在容器中的该药物量而变化，所述输送位置例如可能是病人的身体。因而这种被动式装置通常设有流体流量调节器以确保药物流速相对于留在容器中的药物量尽可能恒定。
[0003]这种被动式药物流量调节器的例子可以由申请人根据注册名称“Chronof low”而得到并且在专利US6203523中披露。专利US6203523的内容被并入本文作为参考。该装置包括适合于连接到流体容器的流体入口和适合于连接到病人身体的流体出口。它包括刚性的基底和柔性膜，其在周边连接区域中牢固地连接在一起以便在其间限定一空腔。该空腔连接到流体出口，而膜具有与连接到流体入口的空腔相对的第一表面。膜具有与空腔邻近的中央通孔，以限定用于从流体入口至流体出口的流体的通路，并且膜是柔性的以便假如流体将大于第一预定阈值的压力应用于第一表面上，膜能与基底接触。当膜在其中央通孔的区域中与基底接触时，其将阻塞中央通孔并且导致阻止流体流过中央通孔。该装置还包括在基底中蚀刻的流量调节器开放通道，其具有面对膜的中央通孔的入口和连接到装置出口的出口。该通道呈螺旋曲线的形状以使得，应用于膜上的压力越大，它封闭越多的通道，因而迫使流体流入它中以找到离开空腔的路。因此，当应用于膜上的压力增加时，位于流量调节器通道内的流体通路的长度增加，因此装置的流体的阻力增加。因而，就容器压力而言，流量可以在预定范围内保持近似恒定。
[0004]然而，这种装置的制造是复杂且昂贵的。实际上，必须按照特定图案蚀刻基底，关于精度等级，这是相当精细的，其必须被重视以便流量调节正确地操作。因而，不仅基底的制造要求特定的额外步骤，而且这些步骤执行得比较精细。取决于装置的尺寸，特定材料如SOI将被用于基底的制造，其是更昂贵的。注意到该装置对颗粒敏感也是重要的。在膜和基底之间处于高压的大接触面积可能是有问题的，因为该区域中的任何颗粒将会引起泄露。此外，通过该工艺制造的装置被设计成用于关于药物输送的一组特定参数，即预定容器压力范围和平均流速。这种装置必需进行复杂的流体模拟以评估螺旋形状和考虑通道之外的流动限制，使得任何设计改变都很困难。
[0005]Park报告了另一种用于脑积水治疗的恒定流量微型阀[S.Park, ff.H.Ko,和 J.M.Prahl，〃A constant flow-rate microvalve actuator based on siliconand micromachining technology，，，在 Tech.Dig.1988Solid-State Sens.ActuatorWorkshop (Hilton Head’88)中，Hilton Head Island，SC，Jun.6-9 (1988) 136-139] 0 阀也由覆盖扁平基底的隔膜构成，通道截面在压力增加时减小，从而导致准稳定的流速。所报告的理论和实验数据都显示出不能获得完美的稳定速度，因为流阻随着所应用的压力以线性的方式增加而通道截面的变化是彻底非线性的。该非线性没有被螺旋通道的使用补偿。
[0006]Kartalov报告了用于牛顿流体的被动式流量调节器的基于PDMS的装置，[E.P.Kartalov, C.Walker, C.R.Taylor, ff.F.Anderson,和 A.Scherer, ^Microfluidic viasenable nested b1arrays and autoregulatory devices in Newtonian fluids, 〃Proc.Nat.Acad.Set.103 (2006) 12280-12284] 0该装置由三维结构构成，显示了重要的死区容积。自动调节装置包括在源和排出口之间的主通道，当流体沿着该通道流动时，静压力减小，该通道还包括被称为推高阀的柔性膜。静压力沿着通向阀的无出口迂回通道保持恒定。推高阀经受的有效压力等于阀上面的在通道分支和主通道段之间的静压力降。当压力降增大时，阀膜向上变形并压缩主通道，导致伴随所应用压力的流体阻力的增大，因而导致牛顿流体的非线性。这种装置的尽头端的存在使得起动困难，被陷在阀下面的空气将引起阻尼效应，但这种装置的主要缺点是流速精度。
[0007]公开号为W02007/004105A1的申请披露了一种阀装置，其包括基底和弹性膜，所述膜至少在阀区域周围连接到基底。所述阀包括压力装置，其将柱塞压靠在膜上以关闭阀。因此所述阀被所述压力装置致动并且没有依据流过所述阀的流体自动调节。
[0008]Saaski等人在US5839467中披露了一种装置，其具有牢固地附接到基底的膜，基底具有空腔和中心柱，中心柱具有通孔。入口位于基底的侧面上。专利US5839467的内容被并入本文作为参考。流体从该入口流向出口，出口位于基底柱的通孔之后。与柱相对的膜侧部遭受容器压力。柱的上部和膜之间的小间隙形成大的流体限制。通过增大容器压力，膜朝向柱偏移，减小柱和膜之间的间隙高度。该装置可以被看作阀，其可以在容器压力增大时，即在柱和膜之间的间隙高度变得等于零时，关闭。在那种情况下，除了在柱区域上面之夕卜，膜两侧上的压力是相等的。披露了各种构形，包括单向阀功能部件，关闭功能部件，具有带通孔的膜和非钻式柱的装置。因而对于每个提议，流速都可以或多或少地被控制直到阀关闭，但在任何情况下，由于在间隙高度变化时该阀的流体阻力的非线性，可以实现恒定流量。此外，容器压力直接应用在膜两侧上的事实使得必需在任何压力下都使用柱和膜之间的小间隙，否则装置不会调节流量。被披露的仅2.5微米的间隙是该特征的例子。因而该装置对于颗粒非常敏感，该间隙的相关机械加工公差也难以实现。
[0009]申请US 2011/132480提出了一种替代的被动式流体流量调节器，其制造更容易且更便宜，并且就涉及的其使用的条件而言，其提供更多的灵活性。申请US 2011/132480的内容被并入本文作为参考。所述申请US 2011/132480披露了发明，其特别地包括调节器，其特征在于，其膜包括与空腔相邻的至少一个额外的通孔，并且该通孔布置成使得即使在流体对膜的第一表面施加压力的情况下，流体也可以流过该孔，该压力大于第一预定阈值但小于第二预定阈值。此外，该调节器特征在于，膜和额外的通孔进一步布置成使得根据施加在膜的第一表面上的压力，流体流速将是基本上线性的，优选地恒定的，该压力所处范围大约从第一至第二预定阈值。膜可以包括η个与空腔相邻的额外的通孔，每个第j个额外的通孔都布置成使得在流体对第一表面施加压力的情况下，流体可以流过该通孔，其中该压力大于第j个预定阈值但小于第(j+Ι)个预定阈值。此外，膜和η个额外的通孔会被进一步布置成使得根据施加在第一表面上的压力，流体流速将是基本上线性的，优选地恒定的，该压力所处范围大约从第一至第(η+1)个预定阈值。但是，在其制造之后，该装置不能根据需要调节以适应病人的特殊需要。因此，每个设备都设计成特定的需要，如果需要改变，设备也必须改变。
[0010]被动式流量调节器可以有利地用于脑积水的治疗中。脑积水通常是由于脑室中的或大脑上面的蛛网膜下腔中的CSF外流的阻塞造成的。脑积水治疗是外科手术:它涉及到将脑室导管(例如由硅橡胶制成的管)放置到脑室中以绕过流动阻塞部/不正常工作的蛛网膜颗粒并将多余的流体引流到其他体腔中，从该其他体腔，所述流体可以被再吸收。大多数的CSF分流术是基于与CSF的流速无关地保持恒定的颅内压(ICP)的原理。CSF分流术已构造成当CSF分流术的入口和出口之间的压差减小到预定水平时切断CSF流动，该预定水平被称为分流术的开始压力。
[0011]ICP分流的例子显示在Hakim的US3288142中，其是用来控制病人身体的不同部分之间的流体引流的手术排放阀装置，特别是用于将脑脊液从脑室引流到血流中(所谓的脑室心房引流术)。临床经验证明，分流的这个原理不是理想的解决方案。例如由于位置的变化、体育运动或病理性压力波引起的ICP的突然上升会导致过度的CSF引流。文献中的几个报告(Aschoff等人，1995)指出了由于该过度引流引起的问题，尤其是将显著变窄的脑室指为导致植入的分流装置故障的主要因素。原因是脑室壁可能在脑室CSF分流装置周围崩溃，和颗粒(细胞，碎片)可能侵入到分流装置中。
[0012]美国专利申请US2010/0324504、US2012/0048403、US 2011/0132480 和US2012/0316492中描述的设备显示了调节CSF流量的替代方式。申请US2012/0316492和US2010/0324504的内容被并入本文作为参考。该装置容许具有大的使用范围和很好的颗粒耐受性。但这些阀的主要缺点之一在于它们缺乏调节装置。不幸的是，阀门的特性需要根据病人机体的天然特性而适应每个病人，并且对于任何给定的病人，阀的特性需要根据病情发展的方式而随着时间的推移进行修改。无论是出于初始调节的目的还是在疾病的发展过程中，将一个阀替换为另一个具有不同特性的阀需要进行外科手术，因为阀被植入在病人的皮肤下面。